Ontwikkeling van hoge gevoeligheidstechnieken in Fourier-transform infraroodspectroscopie van defecten in halfgeleiders

Promotoren: Prof. Henk Vrielinck en Prof. Johan Lauwaert (fac. ingenieurswetenschappen EA06)

Begeleiding: Prof. Henk Vrielinck en Prof. Johan Lauwaert (fac. ingenieurswetenschappen EA06)

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden: Halfgeleiders, defecten, Si, Ge, dunnefilmzonnecellen, infraroodspectroscopie

Probleemstelling:

Recombinatie van ladingsdragers in halfgeleiders wordt in belangrijke mate beïnvloed door slechts kleine concentraties aan defecten, als die diepe niveaus introduceren in de bandgap van de halfgeleider. Dit heeft zijn weerslag op de levensduur van de vrije ladingsdragers en zo ook op lekstromen in elektronische componenten of de efficiëntie van zonnecellen. In ternaire en quaternaire halfgeleiders die vaak gebruikt worden als absorber in dunnefilmzonnecellen, zijn de ondiepe donoren en acceptoren vaak ook intrinsieke defecten, maar hun structuur en de precieze ligging van hun defectniveaus zijn dikwijls nog onbekend.

Experimenteel vaststellen welke concentraties (kwantificering) van welke types defecten (identificatie) er in halfgeleiders aanwezig zijn, is een belangrijk maar ook heel uitdagend probleem, zeker als defectconcentraties zeer laag zijn. Absorptiespectroscopie in het infrarood, waarmee karakteristieke vibraties van defecten in het midden-infrarood, en overgangen tussen de waterstofachtige energieniveaus van neutrale donoren en acceptoren in het verre infrarood kunnen worden gedetecteerd, is in principe uitermate geschikt voor identificatie en kwantificering van defecten in halfgeleiders, maar heeft slechts een beperkte gevoeligheid. Als lichtabsorptie in de halfgeleider waargenomen wordt via de veranderingen die ze teweegbrengt in een elektrische parameter, zoals de geleidbaarheid, capaciteit of fotovoltaische spanning, kan de gevoeligheid van de metingen echter aanzienlijk worden opgedreven. In dit thesisproject worden de gevoeligheidslimieten van "klassieke" optische transmissiemetingen met de modernste onderzoeksapparatuur onderzocht en daarnaast ook de mogelijkheden van elektrische detectietechnieken, die de gevoeligheid nog aanzienlijk zouden moeten verhogen.

 

Doelstelling:

Een eerste doelstelling van dit onderzoek is, via ver-infraroodmetingen in transmissie op Si en Ge, ondiepe defectconcentraties in deze materialen te kwantificeren en zo een schatting te verkrijgen van de gevoeligheidslimieten van deze techniek. Hierbij zal gebruik gemaakt worden van een recent geïnstalleerde Fourier-transform infraroodspectrometer die metingen in een heel breed frequentiebereik (15000-10 cm-1) toelaat en ook is uitgerust met een microscoop (FT-IMAGER). De metingen zullen verder ook bij zeer lage temperatuur moeten gebeuren om vrije ladingsdragers op ondiepe defectniveaus in te vriezen.

Vervolgens zullen op dezelfde samples de mogelijkheden van elektrische detectietechnieken voor optische absorptie worden onderzocht. Hierbij zullen deze technieken eerst moeten worden geïmplementeerd op de nieuwe spectrometer. De aandacht zal in de eerste plaats uitgaan naar metingen van fotogeleidbaarheid (Photothermal Ionization Spectroscopy, PTIS) wat een bijzonder hoge gevoeligheid moet opleveren voor defecten met ondiepe donor of acceptorniveaus. Uiteindelijk zullen de mogelijkheden van PTIS en eventueel ook andere elektrische detectietechnieken voor infraroodabsorptie worden onderzocht bij de studie van defecten in Cu(In,Ga)Se2, een absorbermateriaal voor zeer efficiënte dunnefilmzonnecellen.

DiSC1a 2016-2017

DiSC1b 2016-2017